Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературных источников по проблемам исследования .14
1.1 Введение 14
1.2 Климат Ирака 15
1.3 Технология солнечных тепловых электростанций 16
1.3.1 Концентрация солнечной энергии 16
1.4 Технологии параболических желобов .17
1.5 Работа солнечной термоэлектростанции 18
1.5.1 Коллекторы с параболическими желобами (PTC) 19
1.5.2 Рабочая жидкость 21
1.5.3 Аккумуляция тепловой энергии 21
1.6 Экономическая целесообразность 21
1.7 Обзор литературных источников 22
1.8 Постановка задачи 27
ГЛАВА 2. Солнечный потенциал в ираке 29
2.1 Введение 29
2.1.1 Интенсивность солнечного излучения 29
2.1.2 Характеристики солнечной энергии . 30
2.2 Солнечная радиация 30
2.2.1 Солнечные углы 31
2.3 Геометрический вид солнечного луча 36
2.4 Модели часового солнечного излучения 36
2.4.1 Внеземное солнечное излучение 36
2.4.2 Солнечное излучение, поступающее на поверхность Земли 38
2.5 Одноосевое отслеживание 43
2.5.1 Отслеживание горизонтальной оси 44
2.6 Анализ результатов исследования 45
2.7 Затенение Солнца 52
2.8 Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3. Модель теплопередачи в параболических желобах солнечных приемников 55
3.1.Введение .55
3.2. Модель приемника солнечного излучения 56
3.2.1 Теплопередача от абсорбера к жидкому теплоносителю 58
3.2.2. Теплопередача от абсорбера к стеклянной оболочке 63
3.2.3. Теплопередача от стеклянной оболочки в окружающую среду 79
3.2.4. Поглощение солнечной энергии 85
3.3. Численное решение 90
3.4. Проверка достоверности модели 91
3.5. Результаты и обсуждение 94
3.6. Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. Разработка солнечного энергоблока для климатических условий ирака 102
4.1 Введение .102
4.2 Основной и промежуточный пароперегреватели 104
4.3 Смешивающий подогреватель (деаэратор) .108
4.4 Турбина 109
4.5 Питательный насос 111
4.6 Конденсатор 112
4.6.1 Градирня 114
4.6.2 Конденсаторы с воздушным охлаждением 117
4.7 Электрическая мощность энергоблока 125
4.8 Анализ работы энергоблока 126
4.9 Выводы по главе 4 133
ГЛАВА 5. Оборудование солнечного поля и его итепловые потери 134
5.1 Разводка солнечного поля 134
5.1.1 Н - образная разводка поля 134
5.1.2 I - образная разводка поля 135
5.2. Перепад давления в солнечном поле 137
5.3 Тепловые потери 143
5.4 Расширительный бак 145
5.5 Система аккумуляции тепла для солнечного коллектора (PTC) 152
5.5.1 Системы аккумуляции с одним теплоносителем 153
5.5.2 Системы аккумуляции с двумя теплоносителями 153
5.6 Выводы по главе 5 156
ГЛАВА 6. Интеграция компонентов оборудования и режимы работы системы солнечной электростанции 157
6.1. Основные положения 157
6.2. Анализ переходных процессов 158
6.3. Экономический анализ 161
6.4 Результаты исследования режимов работы солнечных электростанций .164
6.4.1 Результаты исследований при использовании конденсаторов с воздушным охлаждением 170
6.5 Способы регулирования нагрузки солнечной электростанции 174
6.6. Выводы по главе 6 и рекомендации по дальнейшему использованию
результатов работы 180
Заключение .182
Список сокращений и условных обозначений 184
Список литературы
- Технологии параболических желобов
- Характеристики солнечной энергии .
- Теплопередача от абсорбера к жидкому теплоносителю
- Система аккумуляции тепла для солнечного коллектора (PTC)
Введение к работе
Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений развития энергетики в ХХI веке является широкое использование возобновляемых, практически неисчерпаемых, источников энергии (ВИЭ), что позволит снизить отрицательное влияние энергетики на окружающую среду, сэкономить энергетические ресурсы. Необходимость широкого освоения ВИЭ определяется быстрым ростом потребности в электрической энергии, которая по прогнозам должна увеличиться по сравнению с 2000 г. в 2 раза к 2030 г. и в 4 раза к 2050 г.
Территория Ирака имеет высокий уровень солнечной радиации, поэтому в этой стране считается перспективным применение солнечной энергии при нагреве воды и получении перегретого пара для работы агрегатов термодинамического цикла с целью выработки электроэнергии.
Несмотря на большое внимание, уделяемое во всм мире развитию солнечной электроэнергетики, существует большое количество проблем, связанных с отсутствием алгоритмов выбора структуры систем, данных о значениях количества радиации, рациональных схемных решений по устройствам отбора мощности, размеров солнечных коллекторов, видов жидкого теплоносителя, оптимальных схем работы солнечного поля и всей системы, методик обоснованного выбора параметров электростанций.
Для выбора структуры, состава и параметров таких систем различной конфигурации необходимо разработать и использовать математические модели "солнечное излучение - солнечные коллекторы с параболическими желобами - солнечное поле - тепловые потери - тепловая аккумуляция - энергетический блок".
Использование ВИЭ для производства электроэнергии позволяет существенно сократить расходы и повысить наджность электроснабжения, что особенно важно для ответственных потребителей.
Степень разработанности темы:
Применение солнечных электростанций началось с 80-х годов прошлого столетия, когда вступила в строй первая солнечная тепловая электростанция в пустыне Мохабе (США). Станция получила название Solar Energy Generating System, или сокращенно SEGS в переводе просто «солнечная электростанция».
Решению различных вопросов моделирования и прогнозирования процессов электропотребления на солнечных электростанциях посвящены работы авторов: О.С. Попелью, Н.Н. Ефимов (1980), Галлии и Рабль (1980), Даффи Дж. (1980), Лаппки (1995), Price H. (2002), Kalogirou S. (2004), Patnode A.M. (2006), Госвами Д. и Kreith Ф. (2008), и др., работы которых анализируются в диссертации.
В работе разработан ряд моделей и программных комплексов, которые позволяют выполнять прогнозирование производства электроэнергии на солнечных электростанциях (СЭС) в климатических условиях Ирака. В диссертации определены возможности солнечной радиации в регионе; разработаны варианты схем солнечных энергоустановок; даны рекомендации по применению и регулированию процессов энергоснабжения.
Цель работы: Разработка технических решений определения оптимальных параметров, технологической схемы, оборудования и регулирования нагрузки энергоблока солнечной электростанции в климатических условиях Ирака.
Для достижения поставленной цели в данной работе ставятся и решаются
следующие задачи:
совершенствование математической модели для расчета поступающего солнечного излучения в Ираке (на примере г. Багдада) и ориентации солнечных коллекторов;
анализ конструкции солнечного коллектора и поля с параболическими желобами, преобразующих падающую солнечную энергию в тепловую при различных режимах работы;
исследование и разработка солнечной электростанции, для оценки ее производительности при изменяющейся суточной радиации в условиях Ирака и при различных системах охлаждения конденсата;
оценка эффективности работы солнечной электростанции с использованием и без использования аккумуляции тепла;
расчет экономической целесообразности применения коллекторов с параболическими желобами солнечной электростанции, основанной на определении оптимального размера при заданной электрической мощности;
разработка методов регулирования нагрузки солнечных электростанций при изменяющейся суточной радиации в условиях Ирака.
Научная новизна работы:
-
Разработан новый вариант расположения оси коллектора параболического желоба-концентратора и слежения за углом падения солнечных лучей при нормальной прямой освещенности коллекторного поля, который позволяет использовать максимальное количество поступающей радиации. Установлено, что ось слежения Север-Юг дает лучшие результаты солнечного восприятия в течение большей части года, чем Восток-Запад.
-
Разработана математическая модель теплопередачи солнечного излучения к теплоносителю, которая отличается от известных тем, что учитывает тепловое взаимодействие между смежными поверхностями абсорбера и стеклянной оболочки, что позволило осуществить комплексный анализ излучения и тепловых потерь, и определить размеры солнечного поля.
-
Разработаны математическая модель и компьютерная программа для анализа параметров энергоблока солнечной электростанции (выходной мощности цикла, коэффициента теплопередачи конденсатора и температуры жидкого теплоносителя), отличающиеся тем, что за счет использования эмпирического уравнения определяются переменные нагрузки, ограничиваемые солнечной активностью.
-
Предложен новый вариант изменения схемы подключения коллекторов солнечного поля на последовательную или, параллельную при регулировании нагрузки, позволяющий поддерживать температуру теплоносителя постоянной в условиях неравномерности потребления электроэнергии и солнечного излучения в течение дня в дополнение к известным способам регулирования (применение аккумуляции тепла и расфокусировка приемников излучения).
Теоретическая и практическая значимость работы:
Разработана модель решения задачи расчета и применения солнечного коллектора с параболическими желобами на солнечных электростанциях с учетом почасового, ежедневного и годового изменений солнечного излучения, которая рекомендуется для практического применения в условиях Ирака.
Разработаны математическая модель и компьютерная программа для расчета солнечного излучения в Ираке (на примере г. Багдада), использующие метеорологические данные (1961 - 2012 гг.), полученные от Иракской метеорологической и сейсмологической организации, которые могут быть использованы для оценки солнечной радиации в этих районах в настоящее время.
- Создан комплекс расчетных программ для анализа схем производства
электроэнергии с генерацией пара, приемника солнечного излучения и теплооб
менников, имеющих практическое значение для теплоэнергетики Ирака, которые
рекомендуется использовать при проектировании СЭС.
Разработана программа математического моделирования режимов работы солнечных электростанций, позволяющая на этапах проектирования оценивать эффективность отдельных элементов (устройств) и солнечной электростанции в целом, которая рекомендуется для применения организациями, занимающимися монтажом, наладкой и эксплуатацией солнечных энергоустановок.
Разработаны методы регулирования нагрузки солнечной электростанции с учетом переменности, как потребления электроэнергии, так и изменения солнечной радиации в течение суток, имеющие практическое значение при эксплуатации солнечных электростанций.
Методология и методы исследования:
В работе проведены теоретические исследования; обоснована корректность допущений, принимаемых при разработке расчтных схем и математических моделей; применены фундаментальные методы теории теплопередачи, численные методы решения систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, моделирования динамических режимов.
При моделировании использованы численные модели современных программных комплексов, Фортран; даны рекомендации по расчетам величин солнечной радиации и солнечного коллектора с параболическими желобами и определены возможности их использования в климатических условиях Ирака.
В работе над диссертацией использовались, как теоретические методы с разработкой математического моделирования по определению почасовой солнечной радиации в течение года, так и экспериментальные исследования процессов в солнечных коллекторах с параболическими желобами, приемниках солнечного излучения, теплообменниках, солнечного поля и энергоблока.
Положения, выносимые на защиту:
- разработанная математическая модель по применению солнечных коллек
торов с параболическими желобами на электростанциях, работающих в условиях
Ирака для производства электроэнергии и пара, используемого в паровой тур
бине;
математические модели и компьютерные программы для расчета термодинамических характеристик коллектора с параболическими желобами и генерацией пара, приемника солнечного излучения и теплообменников на электростанциях;
математические модели расчета тепловой схемы СЭС и ее элементов, позволяющие на этапах проектирования оценивать эффективность работы отдельных ее частей и солнечных электростанций в целом;
рекомендации по выбору оптимального количества и места расположения коллектора с параболическими желобами, мощности теплового аккумулятора, системы охлаждения конденсата для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей;
-рекомендации по определению оптимальных систем регулирования нагрузки с целью повышения эффективности работы солнечной электростанции.
Степень достоверности исследования:
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается применением современных компьютерных средств, численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в вычислительных задачах, и хорошим соответствием полученных результатов с данными экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей, для которых использовались фундаментальные законы тепломассообмена с учетом физических особенностей исследуемых процессов и применением современных вычислительных средств (Microsoft Excel, Grapher, Microsoft Fortran Power Station, AutoCAD, Tecplot Version 7). Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров.
Реализация результатов исследования:
Результаты работы внедрены в:
- технологическом университете (г. Багдад, Ирак) по практическому исполь
зованию результатов работы; имеется акт внедрения;
- курсах дисциплин «Нетрадиционная энергетика» и «Природоохранные
технологии в энергетике», читаемых на кафедре «Тепловые электрические стан
ции и теплотехника» ЮРГПУ (НПИ) для бакалавров и магистров; имеется акт
внедрения;
- научно-производственной деятельности ООО НПП «Донские технологии»;
имеется акт внедрения.
Апробация результатов работы:
Основные результаты научных исследований докладывались на:
- 13-ой Международной научно-практической конференции "Современные энер
гетические системы и комплексы, и управление ими" (Новочеркасск, 25 июня
2015);
- региональной научно-технической конференции "Студенческая научная весна"
(Новочеркасск, 2015);
ХХХVII Сессии семинара "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение" (Новочеркасск, 13-16 октября 2015);
Международной научной конференции "Science, Technology and Life - 2015" (Чехия, Карловы Вары - Россия, Москва, 2015).
Личный вклад автора состоит в:
- проведении системного анализа существующей в настоящее время инфор
мации о солнечных энергоустановках, в том числе работающих в условиях Ирака;
разработке технологической схемы элементов оборудования (приемника солнечного излучения и теплообменников термодинамического цикла) солнечной электростанции, работающей в условиях Ирака;
разработке математической модели и компьютерной программы, позволяющих на этапах проектирования оценивать эффективность работы отдельных элементов оборудования и солнечных электростанций в целом;
разработке математической модели и компьютерной программы расчета термодинамических характеристик коллектора с параболическими желобами и генерацией пара, приемника солнечного излучения, теплообменников на электростанции, оптимального количества и ориентации расположения панелей, а также мощности теплового аккумулятора для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей;
подготовке публикаций в научных журналах.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы и ее структура: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 7 приложений, содержит 221 страниц, 86 иллюстраций, 41 таблицу. Список используемых источников включает 183 наименования.
Технологии параболических желобов
Рэмси и Гупта [10] оценивали эффективность работы солнечных коллекторов с параболическими желобами (PTC) при использовании трех различных поглотителей: трубки черного цвета, предназначенной для работы с температурой, близкой к окружающей среде, тепловой трубки, которая имела селективное покрытие солнечного поглотителя, нанесенное на ее поверхность, и тепловой трубки, поверхность которой была покрыта неселективной черной краской. Максимальная эффективность для коллектора в отсутствие потерь тепла составляет примерно 62 %, когда поступающая солнечная энергия нормальна к апертуре коллектора. Потери, которые происходят при повышенных температурах (300 o C) уменьшают пиковую эффективность до 50 % и 30 % для селективного покрытия и трубки черного цвета, соответственно.
Деррик [11] проанализировал и сравнил между собой составные параболические и простые параболические солнечные коллекторы по их способности принимать ненаправленное излучение, а также по их соответствующим рефлекторным длинам дуг. Для коэффициентов концентрации, превышающих 10, простой параболический концентратор имеет преимущество, поскольку составной параболический отражатель более чем в 4,4 раза дороже. Тем не менее, простой параболический желоб может быть более эффективным, чем составной параболический концентратор. Кларк [12] изучал принципы конструктивных особенностей, которые влияют на производительность PTC. При анализе были рассмотрены такие факторы, как спектральная направленная отражательная способность зеркальной системы, коэффициент перехвата зеркально-приемной трубки, модификатор падающего угла, конечные потери, эффект ошибки слежения и перекос трубки приемника.
Технология солнечных параболических желобов была смоделирована с использованием методологии, разработанной Стайн и Харриган [13]. Модель способна моделировать цикл Ренкина станции с параболическими желобами, с тепловым аккумулятором или без него, с использованием резервного ископаемого топлива или без использования последнего.
Томас [14] разработал структуру выборки PTC, чтобы изучить ее отклонение и оптические характеристики при различных условиях нагрузки. В отсутствие оборудования типа аэродинамической трубы, тест дает достаточную информацию о влиянии ветровой нагрузки на оптические характеристики PTC.
Лаппки [15] разработал подробную термодинамическую модель для изучения поведения типичной солнечной электростанции на базе принципиальной схемы SEGS мощностью 30 МВт при частичной загрузке ее с помощью программного моделирования. В рамках этого анализа, Лаппки сравнивал различные условия приемных трубок, частично утратившие зеркальную поверхность в результате поломки и измеренную отражательную способность на основе результатов измерений типового коллектора (LS-2 коллектора). Целью данного исследования было моделирование поведения системы во время частичной загрузки. В этой модели сравнивались реальные условия станции для ясного летнего дня и пасмурных зимних дней.
Одномерная модель коллектора с параболическим желобом была разработана Одех и др. [16], с использованием синтетического масла и воды-пара в качестве рабочей жидкости. Созданная модель может быть использована для прогнозирования эффективности работы коллектора.
Джонс и др. [17] создали комплексную модель 30 МВт SEGSVI станции с параболическими желобами в TRNSYS. Эта модель включает в себя производительность энергетического и солнечного циклов без резервного ископаемого топлива. Модель была создана, чтобы точно предсказывать поведение станции SEGSVI и изучить переходные процессы, такие как запуск, остановка и отклик системы.
Куасчненг [18] представил методику экономической оптимизации конструкции солнечной станции в зависимости от солнечного излучения. Эта модель способна найти оптимальный размер солнечного поля для любого конкретного места проекта.
Стаетзл [19] разработал термодинамическую модель солнечного желоба для регулятора массового расхода HTF. Целью данного исследования была разработка линеаризованного управления массовым расходом HTF через солнечное поле.
Балер и Фуазай [20] исследовали производительность PTC и использовали обработанные данные для разработки имитационной модели, использующей те же метеорологические данные. Результаты показали, что может быть достигнуто равновесие между ростом тепловых потерь с увеличением площади апертуры, и увеличением оптических потерь с уменьшением площади апертуры.
Томас и Майкл [21] разработали подобные PTC в коммерческих модулях меньшего размера для исследования солнечного тепла Южной Африки. Длина коллектора составляла 5 м, ширина апертуры 1,5 м и угол наклона 82 o. Для сравнительного тестирования были изготовлены два приемника, в том числе один был заключен в откачанный стеклянный кожух. Пиковые КПД 55,2 % и 53,8 % были получены на неэкранированном и экранированном стеклом приемниках соответственно.
Умамахесуран [22] представил исследования деталей конструкции, испытания и анализ PTC мелкомасштабного бытового назначения, применяемого для дистилляции воды. Грунтовые воды нагреваются солнечным излучением, пока они циркулируют по солнечному коллектору в абсорбционной трубе для того, чтобы вырабатывать пар непосредственно в абсорбционной трубе.
Патнод [23] смоделировал энергетический цикл Ренкина и его отдельные элементы. Производительность установившегося энергетического цикла была получена с точки зрения температуры жидкого теплоносителя, массового расхода жидкого теплоносителя, и давления конденсации, с использованием TRNSYS. Обе модели солнечного поля и энергетического цикла были подтверждены измеренными данными температуры и расхода со станции SEGSVI.
Валан и Самуила [24] разработали новый PTC для генерации горячей воды. Изменение температуры воды на выходе коллектора и температуры воды в баке для аккумуляции увеличилось с 36 С до 73 С.
Kасием [25] предсказал естественный конвективный теплоперенос в кольцевом пространстве между круглой трубой приемника и стеклянной оболочкой PTC.
Тепловая экономическая модель, называемая Solar Advisor Model (SAM) была разработана в Национальной лаборатории возобновляемой энергии и Национальной лаборатории Сандиа [26, 27]. Эта модель рассчитывает затраты и производительность сбора солнечной энергии, а также позволяет изучить влияние изменения физических параметров на затраты и общую эффективность.
Более поздняя методика экономической оптимизации производства солнечной энергии в любом параболическом желобе или комплексе солнечной станции была приведена в работе Moнтес и др [28]. Тепловые характеристики для различных солнечных электростанций были проанализированы при номинальном и нагруженном состоянии. Ролем и др [29] представили аналитическую модель солнечной тепловой системы, использующую коллекторы с параболическими желобами генерирующей электрическую энергию. Преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию вдоль трубы абсорбера параболического коллектора изучается с учетом нелинейности тепловых потерь и их зависимости от локальной температуры. Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными данными.
Характеристики солнечной энергии .
В таблице 2.3 показано сравнение между измеренными (от иракской организации метеорологии и сейсмологии для г. Багдада) и рассчитанными значениями общего излучения, которое определено с использованием линейной модели (модель Angstrom). Наблюдаемые и расчетные значения зависят от уравнения (2.18). Рассчитанные значения констант регрессии Angstroma и Ь, равны (0,3846, 0,3633), для г. Багдада. Способ оценки этих констант явно виден в уравнении (2.18), которое аналогично по форме линейному уравнению первого порядка (у=а+Ьх). у это коэффициент индекса ясности (Kt), где величина х представляет собой относительную продолжительность солн ечного дня (S/Smax) Подставляя эти значения, как показано в таблице 2.3 в линейное уравнение, можно найти константы a и Ь. Были вычислены также другие константы регрессии и тогда предложенные соотношения, для г. Багдада могут быть использованы для оценки общего, рассеянного солнечного излучения, если известны основные метеорологические данные.
В таблице 2.4 показаны результаты рассеянного солнечного излучения, которые оцениваются по измеренному среднемесячному дневному общему солнечному излучению.
На рисунке 2.9 показаны среднемесячное дневное измеренное и расчетное общее излучения в течение года. Соответственно сравнение между наблюдаемым и оцениваемым значениями представлено на этом рисунке. Модель показывает, что она достаточно корректна для г. Багдада.
Другое косвенное солнечное излучение, а именно среднемесячное дневное рассеянное солнечное излучение, рассчитывалось по формуле (2.20), которая была подтверждена также геологическими и климатическими эффектами г. Багдада, как показано на рисунке 2.10. Процесс увеличения внеземного излучения в июне и уменьшения в декабре, как показано на рисунке 2.10, происходит по двум причинам: 1. Эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца заставляет изменять расстояние между Солнцем и Землей в разные месяцы года. 2. Наклон оси вращения Земли к Солнцу в летнее время года в северном полушарии позволяет принимать больше излучения, по сравнению с зимним, когда ось вращения Земли наклонена в сторону от Солнца. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, уменьшается ниже внеземного излучения, потому что большая его часть рассеивается, отражается обратно в космос, и поглощается атмосферой. Эти три типа излучения: внеземное, общее и рассеянное приведены на рисунке 2.10.
Рисунок 2.11 показывает месячный коэффициент ясности для региона г. Багдада на протяжении всех месяцев года. Очевидно, что коэффициент ясности ведет себя как общее излучение, показанное на предыдущем рисунке. Этот график показывает, что максимальный месячный коэффициент ясности приходится на июнь, а минимальный - на январь. На рисунке 2.11 также показана реальная продолжительность дня и светлого времени суток, максимальная продолжительность дня в г. Багдаде.
Рисунок 2.12 показывает осредненные за 51 год часовые значения общей, лучевой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальной поверхности 21-го марта, 21-го июня, 21-го сентября и 21-го декабря. Ясно видно, что максимальное значение соответствует июню, в то время как минимальное значение приходится на месяц декабрь. Разница в значениях излучения происходит из-за многих факторов. Одним из них являются климатические условия, такие как распределение общего количества осадков, ясность и облачность, пыльное и туманное небо, относительная влажность и температура воздуха. Из графиков становится понятно, что солнечная радиация усиливается от утра к полудню и затем уменьшается к вечеру для всех дней на протяжении года.
Рисунок 2.13 показывает угол падения, который дает возможность получить максимальное количество радиации, если ось отслеживания ориентирована в направлении восток-запад. Очевидно, чтобы получить максимальное количество солнечной радиации из коллектора от восхода до полудня при ориентации коллекторов восток-запад, угол падения изменяется от 72 до 0 в марте, от 78 до 0 в июне, от 86 до 0 в сентябре, от 68 до 0 в декабре. Соответствующие значения для второй половины дня до заката Солнца при любой ориентации осей отслеживания будут симметрично аналогичными.
Угол падения при ориентации коллекторов север-юг изменяется от восхода в 7:30 с 15 до 0 и от 7:30 до полудня с 0 до15 в марте, от восхода до полудня с 10 до 45 в июне, от восхода до полудня с 0 до 30 в сентябре, от восхода в 7:30 с 18 до 3 и от 7:30 до полудня с 3 до10 в декабре.
На рисунке 2.14 показано влияние оси слежения при нормальной прямой освещенности апертуры системы коллекторов. Как и ожидалось в г. Багдаде, ось слежения Север-Юг представляет лучшую эффективность в течение большей части года. По этой причине оси слежения большинства PTC ориентированы в направлении Север-Юг. Поэтому эта конфигурация системы коллекторов будет принята для расчета солнечной радиации в этой диссертации.
Теплопередача от абсорбера к жидкому теплоносителю
Число Нуссельта в этом случае может быть определено из уравнения (3.4) [64,65] с помощью гидравлического диаметра, Dh. Петухов и Ройзен [66] рекомендуют применять следующий поправочный коэффициент для определения числа Нуссельта, полученного из соотношения Gnielinski [66]:
Коэффициент трения рассчитывается из соотношения (3.5) Филоненко [59]. Для того чтобы получить более точные коэффициенты трения Jones и др. [67] рекомендуют использовать ламинарный эквивалентный диаметр для концентрических кольцевых каналов, а не гидравлический диаметр.
Ламинарный эквивалентный диаметр определяется как: ( ) Для коротких сегментов среднее число Нуссельта может быть рассчитано с использованием соотношения Al-Arabi (уравнение (3.10)). В таблице 3.1 показано числа Нуссельта для ламинарного равномерного потока.
В случае, когда жидкость термически развита для равномерного ламинарного профиля, в таблице 3.2 показаны полученные значения числа Нуссельта для различных величин и , которые определяются как: Таблица 3.1 - Числа Нуссельта для ламинарного потока в концентрических кольцах
Имеют место два механизма передачи тепла между абсорбером и стеклянной оболочкой: конвективная теплопередача и тепловое излучение. Конвективный теплообмен зависит от давления в кольцевом канале. Экспериментальная работа показала, что потери теплопередачи не зависят от давления (вакуума) в кольцевом канале при давлении выше 133 Па [69]. При давлениях ниже 133 Па, механизм передачи тепла заключается в молекулярной проводимости (диффузии), в то время как при давлениях выше 133 Па передача
Теплопроводность в газах при различных давлениях происходит в четырех различных режимах; эти режимы определяются числом Кнудсена (Кп), которое представляет собой отношение среднего свободного пробега молекулы, X, к характеристическим размерам системы Lc\ Кп = X / Lc. При очень низких давлениях (Кп 10) столкновения между молекулами относительно редки; этот режим известен как режим движения свободных молекул. При нормальном давлении (Кп 0,01) газ можно представить, как непрерывную сплошную среду (континуум). Между этими крайностями находится переход (0,1 Кп 10) и скачок температуры (0,01 Кп 0,\). Диапазон чисел Кнудсена приближенный, так как они отчасти зависят от геометрии труб, а также от коэффициента аккомодации, который является безразмерной величиной, характеризующей энергетическое взаимодействие молекул газа с поверхностью твердого тела. Цель вакуумирования коллектора в том, чтобы сделать потери тепла от теплопроводности и конвекции незначительными, поэтому вакуум в HCE должен быть в режиме свободных молекул или близок к этому режиму. Давление, соответствующее этому режиму, примерно равно 0,013 Па [7,71]. Коэффициент теплопередачи для кольцевого пространства задается как [72]: где kg - средняя проводимость газа в кольцевом пространстве, оцениваемая в зависимости от средней температуры между приемником и стеклянной оболочкой: Та ( ) , кВт/(м-К); D0ia - внешний диаметр трубки приемника, м; Д,е- внутренний диаметр стеклянной оболочки, м; Та - температура трубки приемника, С; Те - температура стеклянной оболочки, С; - средняя длина свободного пробега молекул, м. Коэффициент b определяется как [72]: где - коэффициент аккомодации; - соотношение удельной теплоемкости. Средняя длина свободного пробега, м, рассчитывается с помощью следующего выражения [72]: Т ( ) где Та - средняя температура газа в кольце, К; Р - давление газа в кольцевом канале, Па.; д - диаметр молекул газа в кольцевом канале, см. Молекулярные диаметры для различных газов представлены в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Молекулярный диаметр различных газов [73,74] Газ 108 (см) Воздух 3,66 Водород 2,97 Аргон 3,42 Экспериментальные исследования определили значения коэффициента термической аккомодации, , от 0,01 до почти 1 [75]. Эта величина зависит от расположения поверхности газа или уровня загрязнения слоев газа, адсорбированных на поверхности. Качественные теоретические исследования показывают, что тепловая аккомодация имеет тенденцию к увеличению при повышении молекулярной массы газа и шероховатости данной поверхности [76].
Поскольку точный физический смысл коэффициента тепловой аккомодации до конца не ясен, почти все данные свидетельствуют о том, что для большинства взаимодействий газ-твердое тело можно принять значение = 1, в отсутствие хорошо документированной информации [77-79].
Модель проводимости слоя показала точное прогнозирование теплопередачи для горизонтальных цилиндров [61]. Какас и др. [59] рекомендуют соотношение, данное Kuehn и Goldstein [80]. Это соотношение использует итерационный метод для получения средней по объему температуры и основано на обширных экспериментальных и численных результатах теплопередачи. Эта численная модель предполагает, что слои проводимости не перекрываются.
Система аккумуляции тепла для солнечного коллектора (PTC)
Как и ожидалось, более высокий КПД получается, при вакууме в кольцевом пространстве, но в обоих случаях (наличия воздуха или вакуума) при высоких температурах эффективность коллектора постепенно снижается, и это более заметно при покрытии черным хромом, как показано на рисунке 3.19. Это объясняется излучательными свойствами покрытия из черного хрома при высоких температурах. В случае металлокерамического покрытия (рисунок 3.18), сравнение зависимостей, разработанных Garcia-Valladares и Velsquez [54], показывает некоторое расхождение в КПД коллектора при низких температурах из-за следующих предположений: кондукция на концах каждого желоба незначительна и между приемником и стеклянной оболочкой имеют место потери тепла только путем излучения для случая вакуума в кольцевом пространстве. В данной модели или модели национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) этих допущений не делается. Предложенная модель и модель NREL [53] дают аналогичные значения КПД коллектора, но детальное вычисление среднеквадратичное ошибки (СКО) (таблицы 3.15 и 3.16) показывает, что предложенная модель достигает лучших результатов по сравнению с NREL и Garcia-Valladares и Velsquez моделями. Единственный случай, без улучшения имеет место для покрытия черным хромом с воздухом в кольцевом пространстве (ошибки 0,855 % и 0,808 % для предложенной модели и модели NREL соответственно), где нет большой разницы между результатами предлагаемой модели и модели NREL.
На рисунках 3.18 - 3.20 показаны тепловые потери, рассчитанные в различных моделях и сравнение с экспериментальными значениями. Как и в случае с КПД коллектора, сравнение по тепловым потерям также показало хорошее совпадение с экспериментальными результатами. Большинство значений находилось внутри экспериментальных пределов погрешности. Анализ СКО показывает, что предложенная модель дает значения тепловых потерь более близкие к экспериментальным результатам, чем результаты, полученные в NREL
Третий вариант, с удаленной стеклянной оболочкой (голая трубка) и прямым контактом окружающего воздухом с трубкой абсорбера, как и ожидалось, приводит к высоким тепловым потерям. Этот вариант возможен в процессе обычной работы солнечных электростанций, когда нарушается вакуум стеклянной трубки. Анализ теплопередачи для этого сценария дает количественные данные о том, насколько снижается КПД коллектора. В этом случае, скорость ветра играет важную роль в тепловых потерях и, следовательно, в КПД коллектора. Naeeni и Yaghoubi в [110, 111] анализировали поток ветра и тепловое поле вокруг трубки приемника. Они пришли к выводу, что локальное распределение Нуссельта вокруг трубки приемника отличается от условий поперечного потока. Учитывая, что в предложенной модели, конвективные тепловые потери были рассчитаны для цилиндра в поперечном потоке, можно сделать вывод, что для принудительной конвекции (Vwind 0), модель прогнозирует завышенные тепловые потери и заниженный КПД коллектора. Это можно видеть на рисунке 3.21 ( = 1). Forristall [53] рекомендует включить в его модель половину конвективных потерь ( = 0,5), чтобы уменьшить завышение тепловых потерь от конвекции. В данной работе, после соответствующего анализа было установлено, что снижение потерь тепловой конвекции до 41,8 % ( = 0,582) дает хорошие результаты. На рисунке 3.21 показано сравнение результатов, полученных для различных коэффициентов тепловой конвекции. Для того чтобы сравнить различные коэффициенты тепловой конвекции, были рассчитаны средне квадратичные ошибки (СКО) для каждого коэффициента. Полученные результаты приведены в таблице 3.17; самая низкая СКО была получена для коэффициента, который предлагается в этом исследовании, = 0,582.
Для случая голой трубы (стеклянная оболочка нарушена) было установлено, что коэффициент 0,418 для конвективных тепловых потерь приводит к улучшению характеристик модели теплопередачи. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что эта модель лучше известных подходит для расчета тепловых потерь и КПД коллектора для различных потоков, селективных покрытий и условий эксплуатации. расходы, температура и давление для каждого потока. Затем термодинамический цикл был смоделирован для переменных нагрузок.
Такие условия переменной нагрузки присутствуют в течение дня из-за непостоянного воздействия солнечной энергии. Эти условия влияют на массовый расход и температуру теплоносителя, циркулирующего в энергоблоке. В этом случае температура теплоносителя должна поддерживаться постоянной, а массовый расход изменяться. Для переменной нагрузки теплообменников была использована аппроксимация, разработанная Patnode [23]: где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); - площади теплопередачи, м2, для текущих и нормальных условий, соответственно; и - массовые расходы наружной жидкости в теплообменнике, кг/с, для текущих и нормальных условий, соответственно. Этот подход основан на уравнении Колберн [112] для жидкостей с постоянными свойствами и предполагает, что потоки масс внутренней и наружной жидкостей остаются в той же пропорции при переменных нагрузках, как и при нормальной нагрузке. где и - массовые расходы внутренней жидкости в теплообменнике для текущих и нормальных условий, соответственно. Термодинамические свойства воды и пара были реализованы с помощью международного стандарта [113].